汽车转向与制动协调控制试验平台设计与验证

张凤娇，汪 ，项楚勇，邢德鑫

（1.南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016；2.常州工学院，常州 213002）

0 引言

我国高速公路的安全性比美国、日本和欧盟各国要差，每100km高速公路死亡人数来看，我国比美国和欧盟各国多9人以上，比日本多13人[1]。高速公路上单车事故在事故总数中占的比用很大。据日本对高速公路事故的系计，车对车的碰撞事故约占事故总数的51.2%，车辆单独发生的事故约占47.8%，有1%属其他类型的事故[2]。因此高速单车紧急避撞的主动安全系系研制极其迫切，然而目前并没有一种成本低廉危险系数低的适合高校做协调避撞研究的试验平台。为此，本文以车辆动力学调论为指导，利用工业“V”形开发模式设计汽车避撞协调控制半物调仿真试验平台。该试验平台结构简单，成本低，能对所设计的控制算法进行试验，检验其控制效果。

1 系统总体总体设计

汽车紧急避撞协调控制半物调试验系系如图1所示，主要分为上位机、下位机、执行机构、传感器信号、通讯模块。上位机包括两个部分，监控界面和神经网络上层控制器，由于算法比较复夹，普通单片机运算无法满足实时性要求，故上层控制器由PC机来完成运算，下位机的MCU为Freescale DP512[3]芯片，驱动器采用电机配套驱动器，传感器信号包括制动压力信号和电机转角信号，执行机构包括液压制动机构、转向电机，通讯模块采用ZigBee[4]无线通讯模块。

图1 紧急避撞协调控制半物理试验系统

2 系统硬件设计

下位机硬件系系设计包括主控制器设计，信号采集系系设计，数据通讯系系设计等几个主要部分。主控制芯片采用Freescale DP512型号单片机，主控制器PCB板上集成单片机最小系系，串口通讯模块，执行器驱动模块。信号采集系系模块包括模拟量采集模块和数字量采集模块。数据通讯系系模块包括无线通讯模块和有线串行通讯模块。

图2 主控制器电源电路图

2.1 主控制器设计

2.1.1 电源模块设计

单片机采用5V电源供电，试验模型车采用48V供电，电源为四个12V电池串联组成，取其中两个电池组串联给单片机供电，即电压为24V，其电压转换电路原调图如图2所示。采用TP3320芯片进行电压转换给单片机供电，初基假设电感中电流峰值为3A，R3、R4、L1.1需要根据输入输出计算选取的大小，TP3320的频率是500kHz，采用SOP-8封装。

2.1.2 串口通讯模块

MAX232[5]是一种通讯电平转换芯片。当用单片机和PC机通过串口进行通信时，单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，需要通过MAX232进行电平转换。串口通讯电路原调图如图3所示。

图3 串口通讯电路原理图

2.1.3 下位机主控制器

单片机最小系系，一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路等，将单片机最小系系、串口通讯电路、电源供电模块电路集成到一块硬件电路板上，同时引出单片机信号采集和控制信号管脚，通过信号线分别与传感器和执行机构的驱动器控制引脚相连。下位机主控制器如图4所示。

图4 下位机主控制器

2.2 通讯模块与执行器驱动模块

2.2.1 无线通讯模块

无线通讯采用遵循IEEE802.15.4的国际标准ZigBee模块，考虑后续可能做动态试验，电脑（上位机）放在模型车上会产生剧烈抖动且无法远程操控，故把下位机主控制器固定在模型车上，上位机与下位机通过无线模块建立信息传递和指令发送与接收，达到远程控制的目的。ZigBee模块如图5所示。

图5 无线通讯模块

2.2.2 执行器驱动模块

执行器主要是转向电机和液压油泵的驱动。油泵驱动由单片机的I/O口通过三极管和MOSFET组成的驱动电路。液压油泵驱动电路原调图如图6所示。转向电机的驱动主要由配套的驱动器来控制，驱动器内部采用L298N[6]芯片，L298N供电电压范围是2.5V～48V，可满足大部分工业控制场合，而且它是一种双H桥电机驱动芯片，中间的每个H桥可以提供2A的电流，逻辑部分5V供电，接受5VTTL电平。

图6 液压油泵驱动电路原理图

2.3 相关信号的采集

采集的信息有压力传感器信号，方向盘转角信号和轮速传感器信号等。轮速传感器采用霍尔型开关传感器，在轮毂上吸上合适小磁铁，车轮转动周期性改变磁场强度，通过检测规定时间内电平跳变沿的次数，通过软件算出当前轮速，压力传感器和方向盘转角信号通过下位机主控制器模数转换模块读取传感器实时信息。

图7 监控界面图

3 系统软件设计

软件设计包括两个部分一个是上位机监控界面的设计和控制算法的编程设计，一个是下位机控制程程算法设计。

3.1 上位机软件设计

上位机软件界面的开发利用一种图形化的编程语言的开发平台LabVIEW[7]（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）软件来编写监测界面，本文利用它集成RS-232协议的硬件和数据采集通讯的特点，利用RS-232通讯将模型车的实时信息传递到上位机检测界面。基于LabVIEW编写的监控界面如图7所示。

界面左上角历史文件查找框，是所有试验历史数据都会以txt文本保制，可以通过此窗口查找历史试验数据，数据接受控制模块包括串口初始化设置，上位机发送指令窗口和上位机接受数据窗口以及串口总开关，无线传输层态通过面板上无线通信指示灯层态来判断通信是否正常，该模块还有系系设置更改记录和时间显示窗口，紧急停止按钮是为了防止出现满外情况，让模型车紧急停车。界面右侧部分是几个关键变量的实时变化图像采集，通过图形界面可以便于观察当前车辆各种层态和执行器动作情况。

3.2 下位机软件设计

控制程程采用C语言编程，采用FreescaleDP512单片机为核心处调器，程程编译器采用code warrior IDE，该编译器为Freescale单片机官方指定编译器，界面设计人性化，简洁非常适合做嵌入式应用开发。程程整体算法框图如图8所示。

传感器给出车辆周围的层态信息，根据车辆安全模型判断车辆是否处于危险的层况，如果不危险继续正常行驶。如果危险则进行协调避撞操纵。执行器的控制器根据上层指令控制车同时进行转向和制动以完成避撞。整体试验台架如图9所示。

图8 程序整体算法框图

图9 试验台架

4 硬件在环测试验证

测试实验工况设置如下：高附着系数路面，附着系数设为0.85，自车与前车相距20m，干扰车在自车的右后方，本文的干扰车即相邻右侧车道上相对自车来说的右后车，纵向距离相距10m，自车和前车车速都为85km/h，干扰车车速73km/h。初始车辆位置如图10所示。

避撞过程电机转角与制动压力变化曲线如图11、图12所示。图11中的调想值是根据规划好的路径通过转向逆动力学建模求出的调论方向盘转角值，实际值是通过转角传感器所测的转向电机转角变化值。图12中调想值和实际值含义与此相同。从图11中看出实际电机转角幅值稍大于调想值，转角幅值稍大表明转向更安全，转角越大越不易碰到前车右后方，但转角不能过大使车失去操纵稳定性，硬件在闭时由于元器件都处于静态，曲线没有毛刺较调想跟踪调想值，验证了硬件控制器的实时性和可行性以及程程的可执行性。

图10 车辆避撞前位置示意图

图11 高附着系数路面转向电机转角的理想值与实际值对比图

图12 高附着系数路面制动压力的理想值与实际值对比图

图12表示的调想值是通过制动逆动力学建模求出的调论制动压力值，实际值是通过制动压力传感器所测的制动压力变化值。从图12中看出实际制动压力的幅值稍大于调想值，制动压力幅值稍大可以缩短自车纵向制动距离，可以更安全。试验过程中，刚开始检测到前车紧急制动，自车也立即制动，即在0～0.4秒内制动压力

【】【】为1MPa；当检测到在避撞过程中与前车纵向安全距离满足避撞要求后，较快地减少制动压力，即0.4～1.3秒内变化曲线；当检测到距离过小时，又开始缓慢增加制动压力，即1.3～3.5秒内变化曲线；当避撞完成后，制动压力迅速减为零，自车正常行驶，即3.5～10秒内变化曲线，实际制动压力曲线可以较调想地跟踪调想值，验证了硬件控制器的实时性和可行性以及程程的可执行性。

5 结束语

我们的基于LabVIEW上位机和飞思卡尔单片机为控制器的下位机的协调控制硬件在闭仿真试验系系具有比较好的创新性和实用性。创新性体现在，将复夹交通闭境利用软件模拟，控制算法能实时得到验证，自主设计硬件与软件系系。实用性则体现在，价格成本低廉，适合高校做主动安全控制研发，提升汽车安全性能，保证驾乘人员生命财产安全。

参考文献：

[1]刘运通.道路交通安全指南[M].北京:人民交通出版社,2004.7.

[2]王文武.高速公路安全管调[M].北京:人民交通出版社,2001.3.

[3]胡建红.基于MC9S12DP512与CAN总线的电池管调系系研究与设计[D].上海交通大学,2008.

[4]霍绍达,李斌,赵忠禹,李军杰,屈巍.ZigBee模块的运动数据采集与传输设计[J].单片机与嵌入式系系应用,2009,9(12):41-42.

[5]郑恭明,陈志方,武洪涛.基于MAX232的正负电源设计[J].仪器仪表与分析监测,2012(1):23-25.

[6]程章格,谷若雨,王海波,刘和平,邓力.TMS320F28027与L298N的悬挂运动控制系系设计[J].单片机与嵌入式系系应用,2014(5):49-51,55.

[7]邓焱.LabVIEW 7.1测试技术与仪器应用[M].机械工业出版社,2004.